前回の解説で示したように、フォトダイオードの出力電流を電圧に変換する抵抗は、感度（S/N比）を上げるためには大きく、応答を速くするためには小さくする必要があります。この相反する要求を満たすために、負帰還回路技術の出番となります。
反転アンプの出力と入力を抵抗で接続する、単純な負帰還回路とするだけで、電流電圧変換アンプになります。
以下に簡単な動作原理の計算を示しておきます。
反転アンプのゲイン＝－A、帰還抵抗＝Rｆ、入力電流＝Iin、アンプの入力電圧＝Vin、出力電圧＝Voutとします。アンプの入力インピーダンスは十分に大きく、アンプの入力端子に流れ 込む電流は無視できるとします。
この近似では、入力電流はすべて帰還抵抗に流れますから、帰還抵抗Rｆの両端の電圧＝Iin×Rｆです。
アンプの入出力電圧の関係は、Vout＝－A×Vinであり、また、Rｆ両端の電圧＝Vin－Vout＝Iin×Rｆですから、 簡単な計算をすることで、次の結果を得ることができます。
Vout＝－（A／（1＋A））×Iin×Rｆ、Aが大きい（＞10）ならば、Vout≒－Iin×Rｆ（誤差は1／A程度）
回路の入力側から見た、等価入力抵抗をRinとすると、
Rin＝Vin／Iin＝Rｆ／（1＋A）、Aが大きい（＞10）ならば、Rin≒Rｆ／A（誤差は1／A程度）
この結果を見ると、負帰還を使ったフォトダイオードプリアンプでは、Rfを大きな値としても、PDから見た負荷抵抗値がRｆ／Aに小さくなり、応答が改善されるわけです。
付属のシミュレーションファイルには、3種類のフォトダイオードプリアンプ回路を収めてあり、フォトダイオードは、電流源と100GΩ＋100pFでシミュレートしています。
１．抵抗負荷（1MΩ、100KΩ、10KΩ）＋電圧増幅アンプ
２．反転アンプ（G＝－10、－100）によるIV変換回路
３．オペアンプを（そのまま）反転アンプとして使ったIV変換回路（Cf＝なし、1pF、2.2pF）
パルス応答の様子を比較してください。負帰還の効用を確認できます。
周波数特性グラフに慣れている方は、AC解析でも比較してみてください。
オペアンプICは、反転入力があり、入力インピーダンスが高く、ゲインも大きいので、IV変換アンプとして（通常は）十分な特性を持っていると考えてよいでしょうが、もちろん、限界はあります。
シミュレーションファイルのオペアンプIV変換回路で、帰還抵抗Rfのみでは、発振しています。
オペアンプの反転入力には、PDの端子間容量（＋オペアンプ自身の入力容量）が接続されているため、周波数が高い領域で位相遅れが生じて、不安定になるためです。
この対策として、Rfに並列にCfを追加して位相補償するのですが、安定化の代償として、応答は遅くなってしまいます。オペアンプICをより高速なものにすれば、それなりに改善はされますが、限界があることは変わりません。
PDの端子間容量は、あくまでも、応答を制限する要素として、存在を誇示しているかのようです。「負帰還か何か知りませんが、結局、応答を決めているのは私ですよ・・・」などと、嘲笑っているのでしょうか。
応答を改善するために有効なIV変換回路ですが、S/N比はどうなるのでしょうか。変換抵抗Rｆから発生するノイズだけでなく、オペアンプが発生するノイズも考慮しなければなりません。このノイズ計算は、かなり煩雑ですので、次回以降にします。少し、予告しておきます。「またしても、PDの端子間容量が・・・」、乞うご期待。
今回取り上げましたサンプルファイルを使うには、リニアテクノロジーのサイトよりLTspiceIVをダウンロードしてご利用下さい。
